vsgiuВестник Сибирского государственного индустриального университетаBulletin of the Siberian State Industrial University2304 - 44972307-1710Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный индустриальный университет"10.57070/2304-4497-2022-4(42)-11-18vsgiu-169Research ArticleРаздел 1. Физика конденсированного состоянияSection 1. Condensed Matter PhysicsВЫЯВЛЕНИЕ СТРУКТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ В ОЦК КРИСТАЛЛЕ ПРИ ЛАЗЕРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИDETECTION OF STRUCTURAL CHANGES IN A BCC CRYSTAL-LE DYNAMICS UNDER LASER INFLUENCE BY THE METHOD OF MOLECULARhttps://orcid.org/0000-0002-7328-5444ГостевскаяАнастасия НиколаевнаGostevskayaAnastasia

аспирант кафедры естественнонаучных дисциплин им. профессора В.М. Финкеля, научный сотрудник лаборатории электронной микроскопии и обработки изображения

postgraduate student of the Department of Natural Sciences named after. professor V.M. Finkelya, Researcher

gostevskaya_an@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4566-528XМаркидоновАртем ВладимировичMarkidonovArtem

д.ф.-м.н., до-цент, заведующий кафедрой информатики и вычислительной техники им. В.К. Буторина

 Dr. Sci. (Phys.-math.), Associate Professor, Head of the Department of IVT im. Butorina

markidonov_artem@mail.ruСибирский государственный индустриальный университетРоссияLaboratory of Electron Microscopy and Image Processing, Siberian State Industrial UniversityRussian FederationСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian Federation202204062025041118Copyright © Гостевская А.Н., Маркидонов А.В., 20252025Гостевская А.Н., Маркидонов А.В.Gostevskaya A., Markidonov A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.sibsiu.ru/jour/article/view/169

В представленной работе излагаются результаты молекулярно-динамического моделирования изменения поверхностного слоя расчетной ячейки при кратковременном высокоэнергетическом воздействии. Интерес к данной теме обусловлен тем, что процессы, протекающие в пребывающем в жидком состоянии поверхностном слое в последующем окажут свое влияние при его кристаллизации, и, как следствие, скажутся на различных физических и геометрических характеристиках поверхности материала в целом. Построенная и описанная в работе модель, температура расчетной ячейки в которой распределяется в соответствии с решением линейной задачи теплопроводности, позволила выявить нарушение сплошности поверхностного слоя, заключающееся в локализации избыточного свободного объема в виде группы сферических пор. Размеры этих несовершенств, а также длительность их существования имеют отличия при моделировании при разной плотности энергии лазерного излучения. Дальнейшее исследование позволило выявить условия, при которых поры остаются стабильными на протяжении всего времени моделирования, а также выявить связь между кристаллографической ориентацией межфазной границы твердое тело – жидкость и размерами образуемых пор.

The presented work presents the results of molecular dynamics modeling of changes in the surface layer of the computational cell under a short-term high-energy impact. Interest in this topic is because the processes occurring in the surface layer, which is in a liquid state, will subsequently have an impact during its crystallization, and, as a result, will affect various physical and geometric characteristics of the surface of the material as a whole. The model constructed and described in the work, in which the temperature of the computational cell is distributed in accordance with the solution of the linear problem of heat conduction, made it possible to reveal the discontinuity of the surface layer, which consists in the localization of excess free volume in the form of a group of spherical pores. The sizes of these imperfections, as well as the duration of their existence, have differences when modeling different energy densities of laser radiation. Further research made it possible to reveal the conditions under which the pores remain stable throughout the entire simulation time, as well as to reveal the relationship between the crystallographic orientation of the “solid-liquid” interface and the sizes of the formed pores.

кристаллмодельтемператураплавлениепораповерхностьмежфазная границаcrystalmodeltemperaturemeltingporesurfaceinterfaceработа выполнена в рамках государственного задания 0809-2021-0013.The work was carried out within the framework of the state task 0809-2021-0013.ReferencesMarkidonov A.V., Starostenkov M.D., Gostevskaya A.N., et al. Molecular dynamics study of structural changes in the BCC crystal surface layer under short-term high-energy external impact. In book: Materials in external fields. Second, revised and supplemented edition. Novokuznetsk: Siberian State Industrial University, 2022. P. 145–155.Markidonov A.V., Starostenkov M.D., Gostevskaya A.N. et al. Molecular dynamics study of structural changes in the BCC crystal surface layer under short-term high-energy external impact. In: Materials in external fields. Second, revised and supplemented edition. Novokuznetsk: ITs Sibirskii gosudarstvennyi industrial'nyi uni-versitet, 2022, pp. 145–155.Gostevskaya A.N., Markidonov A.V. Modeling of structural changes in metals un-der high-intensity external action. In book: Materials in external fields: proceedings of the 11th International online symposium, Novokuznetsk, 15–16 February 2022 г. Novokuznetsk: Siberian State Industrial Uni-versity, 2022. P. 55 – 57.Gostevskaya A.N., Markidonov A.V. Modeling of structural changes in metals under high-intensity external action. In: Materials in external fields: proceedings of the 11th International online symposium, Novokuznetsk, February 15-16, 2022. Novokuznetsk: Siberian State Industrial University, 2022, pp. 55 – 57.Явтушенко Т.О., Кадочников А.С., Новиков С.Г., Беринцев А.В., Столяров Д.А. Экспериментальное исследование процесса структурирования поверхности металла фемтосекундными лазерными импульсами высокой мощности // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2013. Т. 15. № 4 (5). С. 1033–1037.Yavtushenko T.O., Kadochnikov A.S., Novikov S.G., Berintsev A.V., Sto-lyarov D.A. Experimental study of the process of structuring a metal surface by femtosecond laser pulses of high power. Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiiskoi akademii nauk. 2013, vol. 15, no. 4 (5), pp. 1033–1037. (In Russ.).Kuo J.-K., Huang P.-H., Chien S.-K., Huang K.-Y., Chen K.-T. Molecular dynamics simulations of crater formation induced by laser ablation on the surface of α-Fe substrate // MATEC Web of Conferences. 2018. Vol. 167. Article 03011.Kuo J.-K., Huang P.-H., Chien S.-K., Huang K.-Y., Chen K.-T. Molecular dynamics simulations of crater formation induced by laser ablation on the surface of α-Fe substrate. MATEC Web of Conferences. 2018, vol. 167, article 03011.Gong X.-F., Yang G.-X., Li P., Wang Y., Ning X.-J. Molecular dynamics simulation of pulsed la-ser ablation // International Journal of Modern Physics B. 2011. Vol. 25. No. 4. P. 543–550.Gong X.-F., Yang G.-X., Li P., Wang Y., Ning X.-J. Molecular dynamics simulation of pulsed la-ser ablation. International Journal of Modern Physics B. 2011, vol. 25, no. 4, pp. 543–550.Cheng C., Wu A.Q., Xu X. Molecular dynamics simulation of ultrafast laser ablation of fused silica // Journal of Physics: Conference Series. 2007. Vol. 59. P. 100–104.Cheng C., Wu A.Q., Xu X. Molecular dynamics simulation of ultrafast laser ablation of fused silica. Journal of Physics: Conference Series. 2007, vol. 59, pp. 100–104.Mendelev M.I., Han S., Srolovitz D.J., Ack-land G.J., Sun D.Y., Asta M. Development of new interatomic potentials appropriate for crystalline and liquid iron // Philosophical Magazine. 2003. Vol. 83. No. 35. P. 3977–3994.Mendelev M.I., Han S., Srolovitz D.J., Ack-land G.J., Sun D.Y., Asta M. Development of new interatomic potentials appropriate for crystalline and liquid iron. Philosophical Magazine. 2003, vol. 83, no. 35, pp. 3977–3994.Stukowski A. Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO – the open visualization tool // Modelling and Simulation Materials Science and Engineering. 2010. Vol. 18. Article 015012.Stukowski A. Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO – the open visualization tool. Modelling and Simulation Materials Science and Engi-neering. 2010, vol. 18, article 015012.Рыкалкин Н.Н., Углов А.А., Зуев И.В., Кокора А.Н. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: справочник. Москва: Машиностроение, 1985. 496 с.Rykalkin N.N., Uglov A.A., Zuev I.V., Kokora A.N. Laser and electron beam processing of materials: reference. Moscow: Mashinostroe-nie, 1985, 496 p. (In Russ.).Stukowski A. Computational analysis methods in atomistic modeling of crystals // The Journal of The Minerals, Metals & Materials Society. 2014. Vol. 66. No. 3. P. 399–407.Stukowski A. Computational analysis methods in atomistic modeling of crystals. The Journal of The Minerals, Metals & Materials Society. 2014, vol. 66, no. 3, pp. 399–407.Орлов В.Л., Малышкина А.Г. Образование нанометровых упорядоченных структур радиационных пор // Известия вузов. Физика. 2003. Т. 46. № 2. С. 31–35.Orlov V.L., Malyshkina A.G. Formation of nanometer ordered structures of radiation pores. Izvestiya vuzov. Fizika. 2003, vol. 46, no. 2, pp. 31–35. (In Russ.).Маркидонов А.В., Старостенков М.Д. О возможности гомогенного зарождения поры в зернограничной области под воздействием ударных послекаскадных волн // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Математическое моделирование физических процессов». 2016. № 3. С. 37–46.Markidonov A.V., Starostenkov M.D. On the possibility of homogeneous pore gen-eration in the grain boundary region under the influence of shock post-cascade waves. Voprosy atomnoi nauki i tekhniki. Seriya «Matematicheskoe modelirovanie fizicheskikh protsessov». 2016, no. 3, pp. 37–46. (In Russ.).Маркидонов А.В., Старостенков М.Д., Павловская Е.П. Влияние послекаскадных ударных волн на процессы укрупнения вакансионных пор // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2012. Т. 9. № 4-2. С. 694–701.Markidonov A.V., Starostenkov M.D., Pav-lovskaya E.P. The influence of post-cascade shock waves on the processes of enlargement of vacancy pores. Fundamental'nye problemy sovremennogo materialovedeniya. 2012, vol. 9, no. 4-2, pp. 694–701. (In Russ.).Маркидонов А.В., Старостенков М.Д., За-харов П.В. Рост малых вакансионных скоплений, инициированный послекаскадными ударными волнами // Письма о материалах. 2012. Т. 2. № 2. С. 111–114.Markidonov A.V., Starostenkov M.D., Zakharov P.V. Growth of small vacancy clusters initiated by post-cascade shock waves. Pis'ma o materialakh. 2012, vol. 2, no. 2, pp. 111–114. (In Russ.).Morris J.R., Song X. The anisotropic free energy of the Lennard-Jones crystal-melt interface // Journal of Chemical Physics. 2003. Vol. 119. No. 7. P. 3920–3925.Morris J.R., Song X. The anisotropic free energy of the Lennard-Jones crystal-melt interface. Journal of Chemical Physics. 2003, vol. 119, no. 7, pp. 3920–3925.Sun D.Y., Asta M., Hoyt J.J., Mendelev M.I., Srolovitz D.J. Crystal-melt interfacial free energies in metals: fcc versus bcc // Physical Review B. 2004. Vol. 69. No. 2. Article 020102.Sun D.Y., Asta M., Hoyt J.J., Mendelev M.I., Srolovitz D.J. Crystal-melt interfacial free energies in metals: fcc versus bcc. Physical Review B. 2004, vol. 69, no. 2, ar-ticle 020102.Liu J., Davidchack R.L., Dong H.B. Mo-lecular dynamics calculation of solid-liquid interfacial free energy and its anisotropy during iron solidification // Computational Materials Science. 2013. Vol. 74. P. 92–100.Liu J., Davidchack R.L., Dong H.B. Mo-lecular dynamics calculation of solid-liquid interfacial free energy and its anisotropy during iron solidification. Computational Materials Science. 2013, vol. 74, pp. 92–100.Ackland G.J., Jones A.P. Applications of local crystal structure measures in experiment and simulation // Physical Review B. 2006. Vol. 73. No. 5. Article 054104.Ackland G.J., Jones A.P. Applications of local crystal structure measures in experiment and simulation. Physical Review B. 2006, vol. 73, no. 5, article 054104.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.